Tests to Determine the Influence of Stress on the Strength of Metal-Polymer Adhesive Joints

Abstract


It is promising to expand the scope of applications of metal-polymer adhesive joints in order to create composite materials, honeycomb and layered structures that combine high strength and low weight. For an adequate design of metal-polymer joints using modern engineering analysis systems, it is necessary to have information about the ultimate mechanical properties of adhesive joints under stress conditions that can be realized in the designed structural elements during operations. The article describes the features of using the methods for conducting and processing the results of a set of mechanical tests for tension of modified Arkan samples and transverse compression of glued cylindrical BNS-samples. At the edges of the samples, it was proposed to form an additional volume of adhesive extending beyond the contact surface to reduce the concentration of dangerous stresses. It was proposed to test multilayer samples for a three-point bending with a simultaneous video recording of the sample deformation process to take into account the characteristics of the damage of layered metal-polymer compounds. The initial moment of damage of the adhesive joint is determined by the occurrence of a relative shift of previously applied reference lines. The criterion was proposed for evaluation of the damage of adhesive joints, based on the consideration of the limit state of a selected microvolume containing the boundary of the connection of materials. Analytical formulas were given for calculating the effective values of the modulus of elasticity and Poisson's ratio of the selected microvolume. The features of the proposed methods were considered using examples of testing metal-polymer adhesive joints of aluminum alloy surfaces using epoxy resins. Based on the results of the tests, diagrams of the ultimate deformation energy density were constructed, which can be used for the design assessment of the resource of the adhesive strength of metal-polymer adhesive joints.

Full Text

При создании современной техники наблюдается устойчивая тенденция к увеличению внешних механических, термических и др. нагрузок при необходимости сохранять работоспособность и живучесть в экстремальных условиях эксплуатации, в том числе и при внештатных ситуациях. Наглядно это проявляется в развитии аэрокосмической техники, конструкций и устройств, предназначенных для работы в арктических условиях. Например, температурные напряжения, возникающие вследствие большой разницы температур на солнечной и теневой сторонах конструкций в районах Крайнего Севера и Антарктиды, приводят к циклическим температурным деформациям. При этом могут существенно повреждаться защитные покрытия и клеевые соединения, материал которых подвергается дополнительным нагрузкам из-за различия коэффициентов термического расширения покрытия и металлической основы. Монтажные, а также снеговые и ветровые нагрузки на конструкции приводят к возникновению сложного напряженного состояния в защитных покрытиях и клеевых соединениях, усугубляемого действием отрицательных температур. Использование металлополимерных соединений является перспективным направлением создания композиционных материалов, сотовых и слоистых силовых конструкций, сочетающих высокую прочность и малый вес. В качестве связующего, обеспечивающего необходимую адгезионную связь, обычно используются термореактивные полимерные адгезивные материалы, которые, как и другие конструкционные материалы, должны обеспечивать прочность соединения, достаточную для его надежной эксплуатации в составе конструкции. В настоящее время проектирование композиционных материалов обычно осуществляется с использованием систем инженерного анализа ANSYS, ABAQUS, FIDESYS и др., которые предполагают проведение глобальных прочностных расчетов элементов конструкций и их соединений, как правило, находящихся в условиях сложного напряженно-деформированного состояния в процессе эксплуатации. Но во встроенных базах данных этих программных комплексов практически отсутствуют сведения о механических свойствах полимерных адгезивов. В основном в технической документации на адгезивные материалы присутствуют сведения только о пределе прочности на сдвиг (реже на отрыв) и, как правило, при комнатной температуре. В отличие от металлических материалов, для которых обычно известны прочностные свойства в широком диапазоне температур, для материалов адгезивных покрытий подобная информация крайне ограничена. Отсутствие этих данных не позволяет производить полноценные проектные прочностные расчеты для покрытий и клеевых соединений в составе конструкций и механизмов для реальных условий эксплуатации. Таким образом, весьма актуальным является определение возможностей адгезивов сопротивляться разрушению в условиях сложного напряженного состояния и температурного воздействия. В технической и научной литературе описано большое количество испытаний на прочность адгезионных соединений. По мнению авторов обзора [1] их число превышает 200. В большей степени речь идет об испытаниях, моделирующих условия работы конкретных соединений в заданных условиях. Например, испытания на раздир и сдвиг растяжением соединений с покрытиями и листовых материалов [2], выдергивание волокна из связующего [3] и др. Перенос результатов на другие условия нагружения и на другие соединения, как правило, невозможен. Изучению нарушения целостности соединений, образования и развития разрушающих трещин под действием критических силовых нагрузок, определяемых внешними параметрами (температура, скорость и характер приложения нагрузки) посвящено большое количество исследований в области механики (см. например, обзоры [4-9]). При этом в настоящее время отсутствуют сложившиеся представления о том, по каким критериям следует оценивать прочность адгезионных соединений и какие характеристики напряженного состояния при этом использовать. В инженерных расчётах зачастую применяют силовые критерии, основанные на использовании традиционных теорий прочности твердых тел, а также критерии, специализированные для решения задач адгезионной прочности (см. обзоры [10-12]). При прогнозировании разрушения адгезионных соединений с помощью силовых критериев имеется ряд существенных ограничений, связанных с невозможностью их использования в краевых областях с сингулярностью напряжений, также с их нечувствительностью к толщине слоя адгезива [12]. Кроме того, силовые критерии не учитывают влияние истории изменения напряженно-деформированного состояния на разрушение адгезионного соединения. Важным шагом в прогнозировании прочности адгезионных соединений явилась разработка моделей когезионной зоны (CZM - Cohesive Zone Model), в соответствии с которыми распространению трещины предшествует развитие повреждений материала перед ее вершиной. При этом продвижение трещины происходит при достижении поврежденности критического уровня. Моделям CZM посвящен специальный выпуск журнала Engineering Fracture Mechanics 70 (2003), а также более поздние обзоры в работах [13-14]. В качестве определяющего параметра моделей CZM обычно используют скорость высвобождения энергии G, рассчитываемую как работу, затраченную на образование единицы свободной поверхности при распространении трещины [14]. Для экспериментального определения Gс и идентификации моделей по диаграммам “traction – separation” проводят различные испытания в условиях отрыва (GсI), сдвига (GсII) и поперечного сдвига (GсIII), в том числе регламентируемые стандартом ASTM D5528. Использование моделей CZM позволяет решать важные задачи сохранения живучести адгезионного соединения в случае наличия или образования в нем трещин. При проектировании адгезионного соединения также важно определить уровень допускаемых механических нагрузок, превышение которого может привести к инициированию начальных несплошностей на границе соединения и, как следствие, к возникновению и распространению трещин, а затем и к разрушению соединения при дальнейшем нагружении [15,16]. В этом смысле эффективным показателем может являться предельная величина работы/энергии, затрачиваемой внешними силами на образование локального нарушения сплошности в наиболее нагруженных и опасных участках соединения. Критерии, основанные на использовании энергии деформации, учитывают все компоненты тензоров напряжений и деформации. Поэтому они в большей степени подходят в качестве критерия начала разрушения, чем стандартные силовые и деформационные критерии. Кроме того, в отличие от скорости высвобождения энергии, работа обладает свойством кумулятивности, что дает принципиальную возможность учитывать влияние истории изменения условий деформирования на разрушение адгезионного соединения. Опыт использования этого параметра ограничено описан в научно-технической литературе. Так в статье [17] в качестве критерия разрушения использовали плотность энергии деформации, усредненную по деформируемому объему адгезива. Авторы проводили испытания только для растяжения листовых образцов, соединенных внахлест, поэтому ими не изучалась зависимость предельной плотности энергии деформации при разрушении от характеристик напряженного состояния. Также следует отметить, что с позиций экспериментальной механики удобнее иметь ограниченное количество видов испытаний и форм образцов, но при этом изменять условия нагружения этих образцов, так чтобы в наиболее широком диапазоне варьировать напряженное состояние. Проведенный анализ известных методов испытаний прочности адгезионных соединений и собственный опыт авторов показывают, что на роль таких видов испытаний могут претендовать растяжение модифицированных образцов Аркана, трехточечный изгиб многослойных образцов, поперечное сжатие склеенных цилиндрических образцов (в англоязычной литературе “Brazil-nut-sandwich”), в дальнейшем BNS-образцов. Целью статьи является описание особенностей проведения этих испытаний и обработки их результатов, что позволит получать единые зависимости для описания адгезионной прочности в широком диапазоне напряженного состояния.

About the authors

S. V Smirnov

Institute of Engineering Science, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, Ekaterinburg, Russian Federation

I. A Veretennikova

Institute of Engineering Science, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, Ekaterinburg, Russian Federation.

M. V Myasnikova

Institute of Engineering Science, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, Ekaterinburg, Russian Federation

D. I Vichuzhanin

Institute of Engineering Science, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, Ekaterinburg, Russian Federation

References

  1. Volinsky, A.A., Moody, N.R., Gerberich, W.W. Interfacial toughness measurements for thin films on substrates, 2002, Acta Materialia, 50, pp. 441–466. doi: 10.1016/S1359-6454(01)00354-
  2. ISO 4674-1-2021 Rubber- or plastics-coated fabrics. Determination of tear resistance. Part 1. Constant rate of tear method
  3. Chandran, S.M., Padmanabhan, K. Microbond fibre bundle pullout technique to evaluate the interfacial adhesion of polyethylene and polypropylene self reinforced composites, 2019, Applied Adhesion Science, 7(5), pp. 1-22. doi: 10.1186/s40563-019-0121-z
  4. Handbook of Damage Mechanics. Nano to Macro Scale for Materials and Structures / Ed. by George Z. Voyiadjis. New York, Springer, 2022, 1386 p. doi: 10.1007/978-3-030-60242-
  5. Bondarchuk, D.A., Fedulov, B.N., Fedorenko, A.N., Lomakin, E.V. Analiz parametrov treshhinostojkosti na svobodnoj granice v sloistyh kompozitah [Analysis of crack resistance parameters at the free boundary in layered composites] PNRPU Mechanics Bulletin, 2020, No 4, pp. 49–59. doi: 10.15593/perm.mech/2020.4.0
  6. Starostin, I.A., Ulitin, N.V., Stojanov, O.V. Sovremennoe sostojanie problemy ocenki adgezionnogo vzaimodejstvija s primeneniem termodinamicheskih harakteristik [Current state of the problem of assessing adhesive interaction using thermodynamic characteristics]. Klei. Germetiki. Tekhnologii, 2022, No.1, pp.8-14. doi: 10.31044/1813-7008-2022-0-1-8-1
  7. Silva, L.F.M., Sato, C. Design of Adhesive Joints Under Humid Conditions, 2013, Advanced Structured Materials, 25, pp. 182. doi: 10.1007/978-3-642-37614-
  8. Hybrid Adhesive Joints. In: Advanced Structured Materials / edit. L.F.M. da Silva, A. Pirondi, A. Öchsner. Germany, Springer, 2011, 317 p
  9. Banks-Sills, L. Interface Fracture and Delaminations in Composite Materials. Cham, Springer, 2018, 120 p. doi: 10.1007/978-3-319-60327-
  10. Silva, L.F.M., Neves, P., R. Adams, Spelt, J. Analytical models of adhesively bonded joints—Part I: Literature survey, 2009, International Journal of Adhesion Adhesives, 29, pp. 319-330. doi: 10.1016/j.ijadhadh.2008.06.005
  11. Barberon, E., Shahbazi, M. Determination of Material Properties for ANSYS Progressive Damage Analysis of Laminated Composites, 2017, Composite Structures, 176, pp. 768–779. doi: 10.1016/j.compstruct.2017.05.07
  12. Chaht, F.L., Mokhtari, M., Benzaama, H. Using a Hashin Criteria to predict the Damage of composite notched plate under traction and torsion behavior, 2019, Frattura ed Integrità Strutturale, 50, pp. 331-341 doi: 10.3221/IGF-ESIS.50.2
  13. Gleich, D.M., Van tooren M.J.L., Beukers, A. Analysis and evaluation of bondline thickness effects on failure load in adhesively bonded structures, 2001, Journal of Adhesion Science and Technology, 15 (9), pp .1091-1101. doi: 10.1163/15685610131703550
  14. Schwalbe, KH., Scheider, I., Cornec, A. Guidelines for Applying Cohesive Models to the Damage Behaviour of Engineering Materials and Structures. Berlin, Springer, Heidelberg, 2013, 89 p. doi: 10.1007/978-3-642-29494-
  15. Dolgih, D.A., Tashkinov, M.A. Issledovanie zakonomernostej nakoplenija povrezhdenij i razvitija rassloenija v polimernyh kompozicionnyh materialah na osnove dvuhurovnevyh modelej razrushenija [Study of patterns of damage accumulation and development of delamination in polymer composite materials based on two-level models of destruction]. PNRPU Mechanics Bulletin, 2020, No. 4, pp. 74–85. doi: 10.15593/perm.mech/2020.4.0
  16. Tserpes, K.I., Barroso, A., Carraro, P.A., Beber, V.C., Floros, I.S., Gamon, W., Kozłowski, M., Santandrea, F., Shahverdi, M., Skejic, D., Bedon, C., Rajcic V. A review on failure theories and simulation models for adhesive joints, 2021, The Journal of Adhesion, 98(12), pp. 1-62. doi: 10.1080/00218464.2021.194190
  17. Chen, Z., Adams, R.D., da Silva L.F.M. Prediction of crack initiation and propagation of adhesive lap joints using an energy failure criterion, 2011, Engineering Fracture Mechanics, 78(6), pp. 990–1007. doi: 10.1016/j.engfracmech.2010.12.00
  18. Arcan, L., Arcan, M., Daniel, L. SEM fractography of pure and mixed Mode interlaminar fracture in Graphite/Epoxy composites, 1987, ASTM International, pp. 41–67. doi: 10.1520/STP25614
  19. Cognard, J.Y., Davies, P., Gineste, B., Sohier, L. Development of an improved adhesive test method for composite assembly design, 2005, Compos. Sci. Technol., 65(3), pp. 59–68. doi: 10.1016/j.compscitech.2004.09.00
  20. Créac'hcadec, R., Sohier, L., Cellard, C., Gineste, B. A stress concentration-free bonded arcan tensile compression shear test specimen for the evaluation of adhesive mechanical response, 2015, International Journal of Adhesion Adhesives, 61, pp. 81–92. doi: 10.1016/j.ijadhadh.2015.05.00
  21. Hou, P., Xue, Y., Gao, F., Dou, F., Su, S., Cai, C., Zhu C. Effect of liquid nitrogen cooling on mechanical characteristics and fracture morphology of layer coal under Brazilian splitting test, 2022, Int. J. Rock Mech. Min. Sci., 151(19), pp. 105026. doi: 10.1016/j.ijrmms.2021.105026
  22. Povolny, S.J., Seidel, G.D., Tallon, C. Numerical Brazilian disk testing of multiscale porous Ultra-High Temperature Ceramics, 2002, Int. J. Solids Struct., 234-235(6), pp. 111262. doi: 10.1016/j.ijsolstr.2021.11126
  23. Wang, C., Wang, S. Modified Generalized Maximum Tangential Stress Criterion for Simulation of Crack Propagation and Its Application in Discontinuous Deformation, 2022, Analysis. Eng. Fract. Mech., 259, pp. 108159. doi: 10.1016/j.engfracmech.2021.10815
  24. Aliha, M.R.M., Ayatollahi, M.R. Brittle fracture evaluation of a fine grain cement mortar in combined tensile-shear deformation, 2009, Fatig. Fract. Eng. Mater. Struct., 32(12), pp. 987-994. doi: 10.1111/j.1460-2695.2009.01402.
  25. Chang, X., Guo, T., Zhang, S. Cracking behaviours of layered specimen with an interface crack in Brazilian tests, 2020, Eng. Fract. Mech., 228, pp. 106904. doi: 10.1016/j.engfracmech.2020.10690
  26. Aminzadeh, A., Fahimifar, A., Nejati, M. On Brazilian disk test for mixed-mode I/II fracture toughness experiments of anisotropic rocks, 2019, Theor. Appl. Fract. Mech, 102. pp. 222–238. doi: 10.1016/j.tafmec.2019.04.01
  27. Smirnov, S.V., Veretennikova, I.A., Vichuzhanin, D.I. Modeling of delamination in multilayer metals produced by explosive welding under plastic deformation, 2014, Comput. Contin. Mech., 7(4), pp. 398-411. doi: 10.7242/1999-6691/2014.7.4.3
  28. Smirnov, S.V., Konovalov, D.A., Vichuzhanin, D.I., Veretennikova, I.A., Pestov, A.V., Osipova, V.A. The Effect of the Stress State, Testing Temperature, and Hardener Composition on the Strength of an AlMg5/Epoxy Metal Polymer Joint, 2022, Materials, 15 (20), pp. 7326. doi: 10.3390/ma1520732
  29. Zhang, X.P., Zhang, Q., Wu, S. Acoustic emission characteristics of the rock-like material containing a single flaw under different compressive loading rates, 2017, Comput. Geotech., 83, pp. 83–97. doi: 10.1016/j.compgeo.2016.11.00
  30. Wu, S., Ma, J., Cheng, Y., Xu, M., Huang X. Numerical analysis of the flattened Brazilian test: Failure process, recommended geometric parameters and loading conditions, 2018, Engineering Fracture Mechanics, 204, pp. 288-305. doi: 10.1016/j.engfracmech.2018.09.02
  31. Tamuzh, V.P. Razrushenie konstrukcij iz kompozitnyh materialov [Destruction of structures made of composite materials]. Riga, Zinatne, 1986, 264 p
  32. Tarnopol'skij, Ju.M., Kincis T.Ja. Metody staticheskih ispytanij armirovannyh plastikov [Methods of static testing of reinforced plastics]. Moscow, Himija, 1981, 272 p
  33. Neuprugie svojstva kompozicionnyh materialov. Mehanika: novoe v zarubezhnoj nauke / Gerakovich, K. [Inelastic properties of composite materials. Mechanics: new in foreign science]. Moscow, Mir, 1978, 295 p.
  34. Kvasov, F.I., Fridljander, I.N. Promyshlennye deformiruemye, spechennye i litejnye aljuminievye splavy [Industrial wrought, sintered and cast aluminum alloys]. Moscow, Metallurgija, 1972, 551 p
  35. Liechti, K.M., Cha, Y.S. Asymmetric Shielding in Interfacial Fracture Under In-Plane Shear, 1992, J. Appl. Mech., 59, pp. 295–304. doi: 10.1115/1.289952
  36. Wang, J.-S., Suo, Z. Experimental determination of interfacial toughness curves using brazil-nut-sandwiches, 1990, Acta Metall. Mater., 38(7), pp. 1279–1290. doi: 10.1016/0956-7151(90)90200-
  37. Thouless, M.D., Yang, Q.D. Measurement and analysis of the fracture properties of adhesive joints, 2002, Adhesion Science and Engineering, 2, pp. 235–271. doi: 10.1016/B978-0-444-51140-9.50034-
  38. Smirnov, S.V., Veretennikova, I. A., Vichuzhanin, D. I., Pestov, A.V. Determination of the adhesive strength of a laminated glue material under three-point bending, 2019, Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures, 6, pp. 26–36. doi: 10.17804/2410-9908.2019.6.026-0

Statistics

Views

Abstract - 2

PDF (Russian) - 0

Cited-By


PlumX


Copyright (c) 2024 Smirnov S.V., Veretennikova I.A., Myasnikova M.V., Vichuzhanin D.I.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies